LIB:技術入門 | 剖析Libra的Network組件_LIBRA

2019年6月18日，Facebook發布了Libra白皮書及源碼，引起了業界的廣泛關注與討論。

這里我們通過分析Libra的源碼，探索Libra的各個組件，來了解一下Libra的整體設計與實現。

Libra核心組件

在進入主題之前，我們先對Libra有一個整體的認識：

看過Libra技術白皮書的朋友，應該都記得這張圖，下面簡單介紹一下這些核心的組件：

?a.AdmissionControl服務：簡稱AC，翻譯過來叫準入控制，可以理解為Libra的網關，將跟用戶打交道的接口暴露給用戶，例如提交Transaction、獲取用戶狀態等等

?b.Mempool服務：存儲未上鏈交易

?c.Consensus組件：LibraBFT共識組件

?d.VirtualMachine組件：簡稱VM，運行Move合約的虛擬機

?e.Execution組件：VM的入口，已換成Executor組件

?f.Storage服務：存儲所有鏈上數據

?g.Network組件：上圖中隱含了一個Network組件，不論是Node啟動還是跟其他節點通信，都需要Network組件。在第一條主線中，我們重點介紹Network組件。

BM：正在研究跨鏈通信協議相關技術:5月31日，針對此前有網友提問EOS團隊工作進程以及相關推測，BM于推特回應稱，EOS團隊正在研究跨鏈通信協議IBC （Inter Blockchain Communication）相關技術。

據悉，此前有網友詢問Github上EOS工作進程，而另有網友回應稱，有點像跨鏈通信協議IBC ，類似于鏈間通信，也可能是eosio插件，可以于合約上發布和訂閱事件。[2020/5/31]

注意，上面介紹各個核心組件的時候，我們區分了組件和服務，兩者的區別是：組件沒有額外監聽端口，與node共用同一個端口，而服務會單獨監聽一個端口，通常是GRPC服務。

Libra設計與實現

Libra涉及的東西比較多，我們從三條線介紹Libra的設計與實現：

通過分析Node啟動并加入到Libra網絡的過程，介紹Network組件的設計與實現；

圍繞Transaction的生命周期，分析其接收交易、打包區塊、運行上鏈的過程，介紹Libra的Mempool、Executor以及Storage、VM等核心組件；

圍繞LibraBFT，介紹Consensus組件以及區塊達成共識的過程

如果想了解或者使用Libra，我們需要先啟動一個節點，并將它加入到網絡中。接下來，我們看看第一條主線，了解一下Node的啟動以及Network的設計與實現。

遠光軟件：公司一直在研究和跟蹤數字貨幣技術應用的最新發展:金色財經報道，遠光軟件（002063.SZ）在互動易上回答投資者提問時表示，公司重視技術創新，一直緊貼行業發展趨勢儲備相關技術。關于數字貨幣技術應用，作為一項新技術的應用，公司區塊鏈事業部一直在積極研究和跟蹤最新的發展。[2020/4/10]

Node啟動流程

我們先看一下Node大概的啟動流程，主要包含兩部分：

生成configLibra的Config的模塊中，能構建3種類型的配置文件，分別是validator、faucet、fullnode的配置文件。其中faucet配置是水龍頭服務相關的一些配置，通常只有測試網絡中第一個validator節點才需要。

啟動node

上圖中Libra-node用于啟動單節點，Libra-swarm用于批量啟動多節點。接下來，我們分別看一下這兩步的一些實現細節，以及之前的準備工作。

準備工作

動態 | 智慧能源：會密切關注區塊鏈技術在公司業務領域內的發展:智慧能源（600869.SH）在互動平臺回復投資者時表示，公司目標是成為“全球領先的智慧能源、智慧城市服務商”，會密切關注區塊鏈技術在公司業務領域內的發展，加強交流與創新，進一步提升智慧能源系統及生態服務體系。[2020/1/14]

在一切繼續之前，我們先準備需要依賴的環境

?1).獲取Libra代碼

?gitclone?https://github.com/libra/libra.git

?2).編譯和運行環境

?a.建議使用Libra自帶的腳本script/dev_setup.sh安裝環境依賴

?b.或者自己手動安裝rust、cargo、git、pb、go、CMake等工具

?

生成config

?從前面的Node啟動流程我們了解到，啟動node首先需要生成配置。Libra包含的配置文件比較多，我們來整體看一下配置文件：

不過沒有特殊需求的話，需要我們特別注意和關注的配置其實也不算多，主要有：

現場 | 柯羅尼資本亞太區董事總經理：區塊鏈技術實現商用落地需要催化劑:金色財經現場報道，2018年8月10日，在2018紛智金融科技峰會（香港）上，WE+創始人兼CEO，柯羅尼資本亞太區董事總經理劉彥燊：傳統的公司如果不關注區塊鏈技術，那么可能會錯失很多的機會。目前區塊鏈還是集中在技術層面，但技術是否成熟、市場對于這種行為是不是接受，還是我們要思考的。真正實現商業應用落地，還是需要催化劑的。[2018/8/10]

?a.Node的角色分為Validator和FullNode

?b.生成3個秘鑰，2個ed25519算法生成，分別用于打包block簽名、網絡的消息簽名，Libra提供了一個generate_keypair工具生成ed25519秘鑰(cargorun-pgenerate_keypair–-omint.key)，1個是x25519算法生成，用于標識節點身份

?c.數據存儲路徑，默認會生成臨時路徑

?d.network_peers：存放網絡中Node的公鑰等信息，主要包含網絡消息簽名的公鑰和節點身份的公鑰

?e.seed_peers：當前節點加入網絡主動去連接的node的信息

?f.consensus_peers：所有Validator節點的信息，Libra網絡是一個許可形網絡

波蘭區塊鏈技術加速器團隊正在開發國家數字貨幣“數字茲羅提”(dPLN):據Finance Magnates報道，近日，波蘭區塊鏈技術加速器(PATB)團隊正在開發的數字化的國家數字貨幣“數字茲羅提”(dPLN)，將在兩周內進入測試階段。dPLN項目發起者拉扎斯基大學(Lazarski University)團隊已經開發了dPLN的工作基礎版本，新版本正在研發中。[2018/3/30]

?g.各服務的端口以及其他配置，沒有特殊要求的話，默認就好

啟動Node

連接Libra的測試網絡shscripts/cli/start_cli_testnet.sh

自建節點cargorun-plibra-node或者cargorun-plibra-swarm–-s

當前node啟動起來之后，會根據seed_peers的配置，去連接相應的node節點，加入到網絡中去，如果沒有seed_peers則會啟動一個單獨的網絡。接下來，我們深入了解一下Node的Network的一些設計與核心實現。

Network組件

1.Network核心模塊

我們整體看一下Network包含哪些模塊：

上面中，從下往上看：

?a.MemSocket實現了UNIXdomainsocket的功能，一般用于測試

?b.TcpSocket網絡連接

?c.Transport可以理解為MemSocket和TcpSocket的一層抽象，封裝了socket的操作

?d.Noise是一種加密協議，前面提到的用于網絡消息簽名的ed25519私鑰，就是作用在這里

?e.Rpc是Libra自己實現的遠程過程調用協議，調用方會等待被調用方返回結果

?f.DirectSend從字面理解是直接發送，調用方發送完立即返回，不等待被調用方返回結果

?g.Negotiate可以理解為對Rpc和DirectSend的抽象

?h.MultiStream用于多路復用，使用了yamux協議。通俗的理解就是在同一個Tcp連接上，從邏輯上將每種上層協議封裝成一個單獨SubStream，以實現多個上層協議共用一個Tcp連接的情況。這一點后面我們還會提到。

以上是Libra的Network組件的一個整體實現，接下來我們介紹一下Libra的協議。

2.Libra的主要協議

上面我們對Network組件有了一個宏觀的認識，這里我們介紹一下Libra包含的協議：

上圖中，從下往上看：

?a.PeerManager封裝了網絡連接以及多路復用的操作

?b.Identity協議：前面提到的x25519私鑰，就是Identity協議用于標識當前節點的身份，協議會根據節點的Role將Validator網絡與Fullnode網絡進行隔離

?c.Health協議：定期隨機選擇一個節點發送探活消息

?d.Discovery協議：每個round從相鄰的節點同步節點信息，以發現新節點，可以理解為gossip協議

?e.AdmissionControl協議：只有RPC的實現，Fullnode節點在收到用戶提交的Transaction之后，通過AC協議將Transaction轉發給Validator節點

?f.Mempool協議：只有DirectSend實現，用于不同的Mempool之間同步Transaction

?g.Consensus協議：包含RPC和DirectSend，用于Validator之間達成共識

?h.StateSynchronizer協議：只有DirectSend實現，不同node之間尋找Block

前面我們提到了多路復用，上面的協議都是通過MultiStream分別開了SubStream，邏輯上把消息協議區分出來。其中Identity、Health、Discovery是所有node都會包含的基本協議，而Consensus是只有Validator節點才會包含的協議。

總結

最開始我們講了Node啟動流程，講述了config配置需要注意的地方以及node啟動的方式和流程。然后我們深入到Network組件，講了Network的組成模塊以及提供的協議能力。我們以單節點為例，將整個啟動以及加入網絡的過程總結如下圖：

其中黃色部分表示在Network的端口是開啟了SubStream，添加了相應的協議和協議處理過程；綠色部分部分表示服務或者組件實例化，可以看出Storage和Executor不依賴Network；初始化Discovery協議的時候，節點會去連接seed節點，并且seed節點會驗證Identity。以上是節點啟動以及加入到網絡的大概流程。

相關鏈接

https://github.com/libra/libra

https://developers.libra.org/docs/the-libra-blockchain-paper

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